圖1 用超聲波焊接將線束焊接到金屬件上，或者線束和線束焊接。0f07e7df2db921c0cda141661c47155f圖2 Herrmann Ultrasonic在2019年推出的金屬焊接機。圖3 2018年Blue Jean Cable使用SonoWeld 1600焊接機將連接揚聲器的線束焊接到香蕉插座上。2f4549f9758eaaa24069dd0a76f24cbc圖4 上圖是汽車行業常見的應用，用超聲波將銅線束焊接到接地端子上。

超聲波技術很早就存在，從1960開始就用於塑料、無紡佈和包裝材料的焊接，以及橡膠和食品的切割。從2017年開始，隨著汽車輕量化和新能源汽車的快速發展，超聲波以另一種創新的應用方式——超聲波金屬焊接，出現在大傢面前。

超聲波金屬焊接機可以將銅或者鋁線纜可靠的焊接到金屬件上，這些金屬件通常較小不大於你的手掌。典型的焊接應用包括鋰電池、線纜接線頭、母線、電機線圈、各種接線端子和電池管理系統。

目前，市場上各傢企業發展瞭自己的獨特超聲波金屬焊接系統，包括橫向振動型，扭矩振動型。各自有自己的優勢，典型的焊接周期時間為幾毫秒至2秒。

1. 橫向振動系統

圖4 橫向振動系統

橫向振動型（也叫做橫向驅動系統，見圖4）最初該系統設計是為瞭焊接塑料——驅動系統豎直放置，待焊的塑料件水平放置，即振動方向垂直與焊接表面。對於金屬焊接，將驅動系統旋轉90°到橫向水平位置，利用剪切運動對水平放置的金屬進行焊接。

Sonics&Materials Inc公司金屬焊接產品北美銷售經理Dave Krysiak指出：“超聲波金屬焊接使用越來越多有幾個原因：該技術保證連接處極低的電阻率，即電流有最高電導性能；允許用戶測量和實時監控振幅、時間和焊接能量等參數，有助於過程穩定；焊接時切向振動去除金屬表面氧化物，不會因為金屬件長期放置表面氧化而影響焊接。”

幾年前，Sonics&Materials向市場推出瞭三款系列的超聲波金屬焊機（MWB40，MWB20，MWB15）。Krysiak說，所有機型都可以焊接線束和金屬件、線束和線束，並可集成自動取放件系統，以實現焊接件上料和下料。

MWB40是40KHz的金屬點焊機，功率800瓦，可處理規格30AWG到16AWG電線。MWB20是20Khz點焊機，功率有1500，2500或4000W，可處理規格16AWG到6AWG電線。MWB15是15Khz點焊機，功率高達6000W，可處理規格8AWG到0000AWG電線。

在過去的幾年裡，橫向振動型系統有瞭更新的發展，增加瞭驅動系統的安裝剛度以抵消側向載荷，提高瞭操作者對零件的可達性（可操作性），增加瞭焊接過程中能量的有效傳遞，同時減小對焊頭的磨損。

2. 扭矩振動系統

在超聲波金屬焊接出現不久，Sonobond Ultrasonic公司就於1960年開發瞭其專利”楔形驅動系統“（見圖5）。該系統采用垂直振動簧片（Reed），由水平放置的楔形耦合器（Wedge）和換能器（Transducer）組件驅動。此時剪切振動方向是平行於焊接表面，焊接壓力直接施加在要焊接的部件上。消除瞭焊接過程中彎曲應力和運動停滯問題。

f7e1eca836cadbf4c2402fb7eb5dde91圖5 楔形驅動系統

同樣重要的是，根據Sonobond Ultrasonic總裁Janet Devine的說法，該系統能夠可靠焊接大多數表面氧化和鍍錫的金屬，不需要預先清洗。它還能有效地焊接類似或者不同的有色金屬組件，包括將銅線束到鋁金屬件上。

該公司的SonoWeld 1600超聲波金屬焊機，輸出功率1500或2500W，可將線規17AWG到00AWG的線束點焊到金屬端子上。其微處理器控制系統能夠存儲和調用多達250個焊接協議，其數字顯示屏可方便的選擇時間、能量或距離的焊接模式。該機型還具有自動鎖頻、質量監控和過載保護功能。經過熱處理的焊嘴使用壽命可達10萬次。

幾年前，Blue Jeans Cable公司購買瞭SonoWeld 1600機型，將連接揚聲器的線束焊接到香蕉插座上，以取代原來的不可靠的螺絲連接工藝。

Blue公司工程師Devine說道，“超聲波焊接工藝有明顯優勢，連接更堅固、更可靠，需要更少勞力，生產效率高。”操作時，操作人員將插座放置在下模具上，再將10AWG和12AWG規格的銅線束從一側插入插座，用超聲熔合到黃銅表面（如圖3）。連接可靠。

圖6 SONIQTWIST超聲波扭矩焊接系統

瑞士Telsonic AG在2002年推出SONIQTWIST超聲波扭矩焊接系統，最初該系統主要焊接和密封有色金屬制成的圓形零件，例如圓柱形電池、氣囊和安全帶傳感器。該技術現在已經用於金屬焊接，例如電池極耳、線束和線束、線束和金屬端子的焊接。

根據Telsonic公司前總裁兼現任顧問Saeed Mogadam的說法，MT8000扭矩焊接系統可以焊接橫截面高達200平方毫米（線規000000AWG）鋁線束和高達160平方毫米（線規00000AWG）的銅線束的焊接。

2011年，Telsonic推出瞭SONIQTWIST的分支系列PowerWheel系統，專門為更大的電池線束端子焊接設計的。

焊接開始前先將端子和線束放在下模具上，焊頭尖端（Sonotrode tip）壓緊線束頂部，焊接壓力施加在焊接區域上方。20Khz的高頻正弦波信號發送到換能器（Transducer），換能器輸出線性振動，向下傳遞到焊頭（Sonotrode）。焊接通常隻需要幾毫秒。

Royal Power Solution公司，需要將銅線束超聲焊接在連接器上。電纜的厚度從5AWG到0000AWG，端子有多達12種不同的規格。有幾個端子設計有側壁。經過廣泛研究和測試，該公司最後使用Telsonics的MPX-TC焊機對四個銅線束端子（16平方毫米）焊接，其餘的采用MT8000 PowerWheel系統焊接（橫截面高達120平方毫米）。

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